一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统和方法

本发明涉及一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统和方法，属于无线通信。

背景技术：

1、近年来，认知无线电(cognitive radio，cr)技术被提出用以增强频谱效率(spectrum efficiency，se)。它使次用户(secondary user，su)能够在不同的操作模式下访问主用户(primary user，pu)的授权频带，包括机会接入、频谱共享和基于感知的频谱共享。只有在检测到pu空闲时，机会接入机制下su才能使用pu的频带。因此，频谱感知的准确度对cr网络性能有着至关重要的影响。为提升不同通信系统的频谱感知性能，诸多频谱感知方案被提出，包括能量检测、匹配滤波器检测、特征值检测、循环特性检测以及干扰温度检测等。能量检测因其低复杂度和无需信号先验信息的优点，在cr系统中被广泛运用。此外，为解决频谱感知低信噪比下检测性能差的问题，协作检测(cooperative sensing)被提出。但这些方案的性能在直接链路被堵塞情况下仍然不够出色。

2、目前，智能反射表面(irs)作为下一代网络的关键使能技术被提出。irs是元表面技术的延伸，它由若干无源低成本元件组成。根据实时信道条件自适应地设计irs元件相移，能够重塑端到端通信环境。例如，增强所需接收机处的信号功率增益，抑制多用户干扰并降低窃听链路的信道质量。基于上述优点，irs可以被部署用来提高频谱感知精度并增强次级网络传输性能，从而进一步提高cr频谱效率。例如，论文“irs-enhanced energydetection for spectrum sensing in cognitive radio networks”研究了cr系统中irs增强频谱感知能量检测算法，并在单节点检测、协作检测以及分集接收方案中推导出平均检测概率的闭合表达式。结果表明irs可以有效增强频谱感知性能。在论文“intelligentreflecting surface-assisted cognitive radio system”中，作者研究了irs辅助的频谱共享cr系统，运用交替优化算法优化次级基站波束赋形以及irs相移矩阵。在论文“resource allocation for irs-assisted sensing-enhanced wideband cr networks”，作者研究了irs辅助的感知增强频谱共享，考虑了频谱感知因素的影响，对子载波分配，次基站波束赋形以及irs相移矩阵做出联合优化。但是，上述工作未考虑irs在机会接入cr系统的运用，也未考虑irs增强的联合感知与传输方案。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的缺陷或不足，提出了一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统和方法，该方法利用包含sca和sdr的bcd联合算法，以最大化cr系统中次网络传输的和速率，很好地解决包含耦合变量的非凸优化问题，且能够极大地提升cr系统频谱感知性能以及频谱效率。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统，该系统包括感知模块、传输模块和优化模块。

3、感知模块的功能是对主网络信号进行检测，采集目标频段的数据与特征，找寻可供频谱共享的频谱空洞，并在主用户重新运行时及时退出相应频段。同时，利用irs增强检测信号，能够提升频谱感知精确度。

4、传输模块的功能是在寻找到频谱空洞后，令次网络准确判决接入频谱进行信息传输，在保证主网络服务质量前提下能够实现最大的次级平均传输速率。

5、优化模块的功能是在感知模块与传输模块的基础上，建立可优化的数学优化问题，并通过优化irs的反射相位矩阵、次级波束赋形、感知时间等能够实现感知的性能以及系统传输速率的最大化，并且能够提升系统的性能。

6、本发明还提供了一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，该方法包括如下步骤：

7、步骤1：建立irs增强频谱感知模型，计算出相应检测概率与虚警概率；

8、步骤2：建立irs增强次级传输模型，推导出次级平均传输速率表达式；

9、步骤3：建立irs增强联合频谱感知与信息传输优化问题，以最大化系统平均可达速率为目标，联合优化次级波束赋形、irs相位以及感知时间；

10、步骤4：利用块坐标下降迭代算法结合半正定松弛与连续凸近似方法求解优化问题；

11、步骤5：利用高斯随机化方法获得满足实际要求的变量解，代入系统，实现系统性能最大化。

12、有益效果：

13、1、本发明通过irs增强的频谱感知方案和新提出的检测阈值，能够在低信噪比情况下同时确保高检测概率和低虚警概率，从而极大提升了系统的感知精确度，增强了cr系统的频谱效率。

14、2、本发明在频谱共享系统中考虑irs联合增强感知与传输优化问题，能够同时针对频谱感知变量与传输变量作出联合优化，从而扩展了问题的维度，为进一步实现更高性能作出铺垫。

15、3、本发明提出基于bcd以及sca和sdr的联合算法，通过联合优化感知时间、次基站波束赋形以及irs相位，最大化cr系统的次级传输和速率。结果表明，本发明能够高效处理非凸问题以及耦合的变量，同时拥有优异的收敛效果，并能够运用到其他通信系统中。

16、4、本发明提出irs增强的联合频谱感知与信息传输方案能够缩短所需的频谱感知时间、且能同时实现感知与传输性能的协同提升，增强了cr网络的频谱效率，提高了系统的性能。

技术特征：

1.一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统，其特征在于，所述系统包括感知模块、传输模块和优化模块；

2.一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述步骤1包括设置主基站、主用户、次基站、次用户以及irs的位置，对主基站到irs、irs到l个主用户、主基站到次基站、次基站到irs、irs到k个次用户、次基站到k个次用户和次基站到l个主用户之间的信道进行建模，获取信道增益，定义包括如下：

4.根据权利要求2所述的一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述步骤2包括：使用irs增强频谱感知的检测概率以及使用新检测阈值虚警概率可分别表示为和如下定义：

5.根据权利要求2所述的一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述步骤3包括：根据上述步骤1中信道增益以及上述步骤2中的检测概率以及虚警概率，获得系统和速率的优化问题，具体包括：

6.根据权利要求2所述的一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述步骤4包括：将感知时间固定，利用块坐标下降(bcd)迭代算法，交替优化波束赋形，感知阶段以及传输阶段irs相移矩阵；联合sca以及sdr算法，处理目标函数以及约束中的非凸项，转化问题为凸优化问题，如下定义：

7.根据权利要求2所述的一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统的实现方法，其特征在于，所述步骤5包括：利用cvx凸优化问题求解工具求出波束赋形以及irs相位的次优解，最后通过一维搜索求出最优感知时间。

技术总结
本发明一种智能反射面增强的联合频谱感知与信息传输系统和方法，包括感知模块、传输模块和优化模块。感知模块是对主网络信号进行检测，采集目标频段的数据与特征，找寻可供频谱共享的频谱空洞，并在主用户重新运行时及时退出相应频段。利用IRS增强检测信号，提升频谱感知精确度。传输模块是在寻找到频谱空洞后，令次网络准确判决接入频谱进行信息传输，在保证主网络服务质量前提下能够实现最大的次级平均传输速率。优化模块是在感知模块与传输模块的基础上，建立可优化的数学优化问题，并通过优化IRS的反射相位矩阵、次级波束赋形、感知时间等能够实现感知的性能以及系统传输速率的最大化，本发明能够极大地提升CR系统频谱感知性能以及频谱效率。

技术研发人员：吴伟,王梓,周福辉
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13